Функции II. Классификация. Зачем? А.Б.Рахманинова (6 марта 2006 г.)

gcttttcattctgactgcaacgggcaatatgtctctgtgtggattaaaaaaagagtgtctgatagcagcttctgaactggttacctgccgtgagtaaattaaaattttattgactta ggtcactaaatactttaaccaatataggcatagcgcacagacagataaaaattacagagtacacaacatccatgaaacgcattagcaccaccattaccaccaccatcaccattacca acggtgcgggctgacgcgtacaggaaacacagaaaaaagcccgcacctgacagtgcgggctttttttttcgaccaaaggtaacgaggtaacaaccatgcgagtgttgaagttcggca catcagtggcaaatgcagaacgttttctgcgtgttgccgatattctggaaagcaatgccaggcaggggcaggtggccaccgtcctctctgcccccgccaaaatcaccaaccacctgg cgatgattgaaaaaaccattagcggccaggatgctttacccaatatcagcgatgccgaacgtatttttgccgaacttttgacgggactcgccgccgcccagccggggttcccgctgg aattgaaaactttcgtcgatcaggaatttgcccaaataaaacatgtcctgcatggcattagtttgttggggcagtgcccggatagcatcaacgctgcgctgatttgccgtggcgaga tgtcgatcgccattatggccggcgtattagaagcgcgcggtcacaacgttactgttatcgatccggtcgaaaaactgctggcagtggggcattacctcgaatctaccgtcgatattg agtccacccgccgtattgcggcaagccgcattccggctgatcacatggtgctgatggcaggtttcaccgccggtaatgaaaaaggcgaactggtggtgcttggacgcaacggttccg actctgctgcggtgctggctgcctgtttacgcgccgattgttgcgagatttggacggacgttgacggggtctatacctgcgacccgcgtcaggtgcccgatgcgaggttgttgaagt tgtcctaccaggaagcgatggagctttcctacttcggcgctaaagttcttcacccccgcaccattacccccatcgcccagttccagatcccttgcctgattaaaaataccggaaatc aagcaccaggtacgctcattggtgccagccgtgatgaagacgaattaccggtcaagggcatttccaatctgaataacatggcaatgttcagcgtttctggtccggggatgaaaggga tcggcatggcggcgcgcgtctttgcagcgatgtcacgcgcccgtatttccgtggtgctgattacgcaatcatcttccgaatacagcatcagtttctgcgttccacaaagcgacttgc gagctgaacgggcaatgcaggaagagttctacctggaactgaaagaaggcttactggagccgctggcagtgacggaacggctggccattatctcggtggtaggtgatggtagcacct tgcgtgggatctcggcgaaattctttgccgcactggcccgcgccaatatcaacattgtcgccattgctcagggatcttctgaacgctcaatctctgtcgtggtaaataacgatgatg ccactggcgtgcgcgttactcatcagatgctgttcaataccgatcaggttatcgaagtgtttgtgattggcgtcggtggcgttggcggtgcgctgctggagcaactgaagcgtcagc gctggctgaagaataaacatatcgacttacgtgtctgcggtgttgccaactcgaaggctctgctcaccaatgtacatggccttaatctggaaaactggcaggaagaactggcgcaag aagagccgtttaatctcgggcgcttaattcgcctcgtgaaagaatatcatctgctgaacccggtcattgttgactgcacttccagccaggcagtggcggatcaatatgccgacttgc gcgaaggtttccacgttgtcacgccgaacaaaaaggccaacacctcgtcgatggattactaccatcagttgcgttatgcggcggaaaaatcgcggcgtaaattcctctatgacacca ttggggctggattaccggttattgagaacctgcaaaatctgctcaatgcaggtgatgaattgatgaagttctccggcattctttctggttcgctttcttatatcttcggcaagttag aaggcatgagtttctccgaggcgaccacgctggcgcgggaaatgggttataccgaaccggacccgcgagatgatctttctggtatggatgtggcgcgtaaactattgattctcgct aaacgggacgtgaactggagctggcggatattgaaattgaacctgtgctgcccgcagagtttaacgccgagggtgatgttgccgcttttatggcgaatctgtcacaactcgacgatc ttgccgcgcgcgtggcgaaggcccgtgatgaaggaaaagttttgcgctatgttggcaatattgatgaagatggcgtctgccgcgtgaagattgccgaagtggatggtaatgatccgc tcaaagtgaaaaatggcgaaaacgccctggccttctatagccactattatcagccgctgccgttggtactgcgcggatatggtgcgggcaatgacgttacagctgccggtgtctttg atctgctacgtaccctctcatggaagttaggagtctgacatggttaaagtttatgccccggcttccagtgccaatatgagcgtcgggtttgatgtgctcggggcggcggtgacacct gatggtgcattgctcggagatgtagtcacggttgaggcggcagagacattcagtctcaacaacctcggacgctttgccgataagctgccgtcagaaccacgggaaaatatcgtttat tgctgggagcgtttttgccaggaactgggtaagcaaattccagtggcgatgaccctggaaaagaatatgccgatcggttcgggcttaggctccagtgcctgttcggtggtcgcggcg atggcgatgaatgaacactgcggcaagccgcttaatgacactcgtttgctggctttgatgggcgagctggaaggccgtatctccggcagcattcattacgacaacgtggcaccgtgt ctcggtggtatgcagttgatgatcgaagaaaacgacatcatcagccagcaagtgccagggtttgatgagtggctgtgggtgctggcgtatccggggattaaagtctcgacggcagaa agggctattttaccggcgcagtatcgccgccaggattgcattgcgcacgggcgacatctggcaggcttcattcacgcctgctattcccgtcagcctgagcttgccgcgaagctgatg gatgttatcgctgaaccctaccgtgaacggttactgccaggcttccggcaggcgcggcaggcggtcgcggaaatcggcgcggtagcgagcggtatctccggctccggcccgaccttg gctctgtgtgacaagccggaaaccgcccagcgcgttgccgactggttgggtaagaactacctgcaaaatcaggaaggttttgttcatatttgccggctggatacggcgggcgcacga ctggaaaactaaatgaaactctacaatctgaaagatcacaacgagcaggtcagctttgcgcaagccgtaacccaggggttgggcaaaaatcaggggctgttttttccgcacgacctg gaattcagcctgactgaaattgatgagatgctgaagctggattttgtcacccgcagtgcgaagatcctctcggcgtttattggtgatgaaatcccacaggaaatcctggaagagcgc cgcgcggcgtttgccttcccggctccggtcgccaatgttgaaagcgatgtcggttgtctggaattgttccacgggccaacgctggcatttaaagatttcggcggtcgctttatggca atgctgacccatattgcgggtgataagccagtgaccattctgaccgcgacctccggtgataccggagcggcagtggctcatgctttctacggtttaccgaatgtgaaagtggttatc tatccacgaggcaaaatcagtccactgcaagaaaaactgttctgtacattgggcggcaatatcgaaactgttgccatcgacggcgatttcgatgcctgtcaggcgctggtgaagcag tttgatgatgaagaactgaaagtggcgctagggttaaactcggctaactcgattaacatcagccgtttgctggcgcagatttgctactactttgaagctgttgcgcagctgccgca acgcgcaaccagctggttgtctcggtgccaagcggaaacttcggcgatttgacggcgggtctgctggcgaagtcactcggtctgccggtgaaacgttttattgctgcgaccaacgtg gataccgtgccacgtttcctgcacgacggtcagtggtcacccaaagcgactcaggcgacgttatccaacgcgatggacgtgagtcagccgaacaactggccgcgtgtggaagagttg cgccgcaaaatctggcaactgaaagagctgggttatgcagccgtggatgatgaaaccacgcaacagacaatgcgtgagttaaaagaactgggctacacttcggagccgcacgctgta gcttatcgtgcgctgcgtgatcagttgaatccaggcgaatatggcttgttcctcggcaccgcgcatccggcgaaatttaaagagagcgtggaagcgattctcggtgaaacgttggat ccaaaagagctggcagaacgtgctgatttacccttgctttcacataatctgcccgccgattttgctgcgttgcgtaaattgatgatgaatcatcagtaaaatctattcattatctca aggccgggtttgcttttatgcagcccggcttttttatgaagaaattatggagaaaaatgacagggaaaaaggagaaattctcaataaatgcggtaacttagagattaggattgcgga taacaaccgccgttctcatcgagtaatctccggatatcgacccataacgggcaatgataaaaggagtaacctgtgaaaaagatgcaatctatcgtactcgcactttccctggttctg gctcccatggcagcacaggctgcggaaattacgttagtcccgtcagtaaaattacagataggcgatcgtgataatcgtggctattactgggatggaggtcactggcgcgaccacggc Новые факты Новые вопросы Сколько всего разных функций бывает? А сколько клетке нужно? Генов с какими функциями больше всего в геноме? Зачем? Насколько отличаются наборы функций у разных организмов? Можно ли предсказать функцию по структуре или последовательности? ………………………………

Sept 2002 Распределение молекулярных функций

Иерархические системы классификации, основанные на «биологическом смысле» 1.Схема Моники Райли (MBL) (MultiFun,см. EcoCyc/GenProtEC); 2.FunCAT (cм. MIPS/PEDANT, Munich Institute for Protein Science) 3.KEGG (Kyoto Encyclopaedia for Genes and Genomes) …………. Metabolism of small molecules etc. Amino Acids Alanine Central Intermediary Metabolism Amino sugars Energy Metabolism Glycolysis Aerobic respiration

FunCat KEGG основных категорий 12, глубина ветвления - 2, число конечных категорий MultiFun основных категорий 10, глубина ветвления от 0 до 4, число конечных категорий - 371

Новое поколение схем классификации ― «формальные» системы GO (Gene Ontology) COGs (Clusters of Orthologous Groups, NCBI)

Интересно….Последовательность Функция 3Dструктура ? ? ?

Пространственные структуры более консервативны, чем последовательности Внутри одного класса 3D- структур можно найти белки с seq. id  20%. rmsd = 1.5 Å, seq. id = 28% Сходство последовательностей Сходство структур

Самое интересное….Функция 3Dструктура ? ? структуры почти одинаковы до Id  20% Последовательность

Общепринятая иерархическая классификация ферментативных реакций EC 1 Oxidoreductases EC 1.1 Аcting on the CH-OH group of donors EC With NAD or NADP as acceptor EC alcohol dehydrogenase …………………. EC With a cytochrome as acceptor …………. EC 1.2 Acting on the aldehyde or oxo group of donors ……………….. EC 2 Transferases EC 2.1 Transferring one-carbon groups EC Methyltransferases EC nicotinamide N-methyltransferase ……………….. EC 3 Hydrolases EC 4 Lyases EC 5 Isomerases ЕC 6 Ligases

FAS_YEAST CYSG_ECOLI [ ЕС ЕС ЕС

Бывают ли в одном гомологичном семействе белки с разной функцией? 190 семейств

EC versus Id

структуры практически одинаковы, если Id>20% Функция 3Dструктура до Id~40% функция ферментов сохраняется c Р~90% Последовательность ?

Дивергентная эволюция функции на базе одной структуры (пример из статьи Hegyi H, Gerstein M. J Mol Biol Apr 23;288(1): ) 1 Оксидоредуктазы EC 1.*.* 3 Гидролазы EC 3.*.* 4 Лиазы EC 4.*.* 5 Изомеразы EC 5.*.*

Конвергентная эволюция функции: аналогичные ферменты ЕС Карбангидраза H 2 CO 3 = CO 2 + H 2 O CAH_METTE CAH5_MOUSE Конвергентная эволюция ферментов встречается часто Наблюдение: 1,8 функции на один тип структуры( folds), но 2,5 фолдов на одну функцию

3D-структура ? функция (по Hegyi H, Gerstein M. J Mol Biol Apr 23;288(1): ) Ферменты предпочитают альфа/бета- и альфа+бета - структуры, а неферменты чаще бывают альфа-спиральными или бета-структурными белками.

3D-структура Функция ЕС